工程燃燒學緒論

緒論2023/2/21河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院人類對于燃燒的認識過程在“自然辯證法”說：人們只有在學會摩擦取火之后，才第一次使無窮無盡的自然力替自己服務。幾十萬年以前人類已經(jīng)能夠利用“火”，從而結(jié)束了茹毛飲血的生活；也學會了“鉆木取火”。但是對于“火”或者說“燃燒”的認識卻是在18世紀以后。當時在歐洲對于燃燒的研究導致了一場近代的化學革命。佛朗西斯.培根曾說：“閱讀使人充實，會談使人敏捷，寫作與筆記使人精確。讀史使人明智，詩歌使人巧慧，數(shù)學使人深沉，倫理之學使人莊重，邏輯與修辭使人善辯?！币虼宋覀冇斜匾私饪茖W的發(fā)展史。2023/2/22河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院煤的使用古稱煤為石炭、烏薪、黑金、樵石、燃石和礦炭，公元前200年，西漢期間，已經(jīng)開始使用煤來煉鐵。比歐洲早1700年。東漢末年，炭成為家用燃料。賣炭翁，伐薪燒炭南山中，滿面塵灰煙火色，兩鬢蒼蒼十指黑。（白居易）2023/2/23河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院宋代，汴梁地區(qū)，“數(shù)百萬人，盡仰煤炭，竟無一燃薪者?！彼未旱V遺址的發(fā)掘提供的確切信息表明，那時的采煤業(yè)已經(jīng)具有較高的技術水平和比較完備的設施。煤礦有兩條豎井，深近50米，礦井直徑達2.5米，兩條巷道長達500米，巷道高為2米，寬為2.1米，采煤工作面巷道上寬1.4米，下寬1米，布局合理。

衣襟成墨色，面目帶煤塵。

盡愛爐中獸，誰憐窯下人?！顿u炭圖》劉克莊（宋代）

元代，馬可·波羅(MarcoPolo，1254—1324)在他的游記中以一種驚奇的口吻提到中國人有一種“黑石頭”，像木柴一樣容易燃燒，又比木柴火力強大，往往到第二天才會熄滅。這說明當時歐洲尚未使用燃煤。

2023/2/24河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院石油的使用西周，《易經(jīng)》：“澤中有火”東漢，班固《漢書·地理志》：“高奴縣有洧（wei）水可燃”。南朝，范曄《后漢書·郡國志》：延壽（今甘肅省玉門一帶）“縣南有山，石出泉水，大如筥(jǔ)

，燃之極明，不可食。縣人謂之石漆”。唐朝，段成武《酉陽雜俎》：“高奴縣石脂水，水膩，浮上如漆，采以膏車及燃燈極明。”宋代，沈括（1031～1095）《夢溪筆談》：把歷史上沿用的石漆、石脂水、火油、猛火油等名稱統(tǒng)一命名為石油。明朝，宋應星《天工開物》，對石油的開采工藝作了系統(tǒng)的敘述。從唐朝開始，石油在生活、軍事領域被廣泛應用。2023/2/25河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院二郎山下雪紛紛，旋卓穹廬學塞人。

化盡素衣冬不老，石油多似洛陽塵。《延州詩》沈括火井沉熒于幽泉，高焰飛煽于天陲《蜀都賦》西晉，左思2023/2/26河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院天然氣的使用公元前6000至2000年，伊朗首先發(fā)現(xiàn)了從地表滲出的天然氣。古代波斯人稱之為“永不熄滅的火炬”。中國在公元前900年開始使用天然氣，公元前211年鉆了第一個天然氣氣井，用于煮鹽。1659年，英國才發(fā)現(xiàn)了天然氣，并開始使用。

煙塵侵火井，雨雪閉松州《西山》杜甫2023/2/27河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院隱隱煮鹽火，漠漠燒緦煙《初到忠州登東樓，寄萬州楊八使君》白居易土囊煙陰，火井冰閉《大獵賦》李白2023/2/28河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

在我國古代，很早就出現(xiàn)了對燃燒與熱動力的認識和利用，唐代出現(xiàn)了煙火玩物，“煙火起輪，走絨流星”。宋代制成了用火藥的火箭、火球、火蒺藜。明代制成了“火龍出水”的火箭，這些都是利用燃燒時向后噴射產(chǎn)生反作用力使火箭前進的道理。2023/2/29河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院已具備了對燃燒的初步認識省油燈2023/2/210河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院一、燃素說

英國化學家波義耳首先提出了元素的定義,使化學研究開始走上了科學的道路。他最早引入了“分析化學”的名稱,將當時習慣應用的定量試驗歸納為一個系統(tǒng),開始了分析化學的研究。恩格斯曾指出:“波義耳把化學確立為科學”。波義耳曾對幾種金屬進行過煅燒實驗,他認為金屬在般燒后的增重是因為存在火微粒,在懾燒中,火微粒穿過器壁而與金屬結(jié)合,即:金屬+火微粒=金屬灰。提出了火的微粒說。波義爾2023/2/211河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

德國化學家斯塔爾吸取了火的微粒說觀點,于1723年出版《化學基礎》提出燃素說。他認為,火的微粒能夠和其他元素結(jié)合而形成化合物,也能夠用游離方式存在,由火的微粒構(gòu)成的元素是燃素。物質(zhì)燃燒時放出燃素,不燃燒的物質(zhì)是因為缺少燃素。木柴等燃料不能自動放出燃素,要空氣把燃素吸出來才能燃燒。由于燃素說能夠解釋當時知道的一些化學現(xiàn)象,此時煉金術逐漸被人們拋棄,化學從煉金術中解放出來。

燃素說統(tǒng)治化學界達100年之久。

2023/2/212河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院但是，燃素說有一個明顯的困難，就是難以解釋“燃素是不是具有重量”。有機物在燃燒后重量一般大大減少，而金屬生銹后重量卻增加，因此如果說這些化學反應都伴隨著燃素的逃離，那么燃素究竟有沒有重量呢？這重量是正還是負呢？斯塔爾并沒有注意這些問題，因為當時化學研究中“定量研究”的概念還很淡薄。后人也曾力圖解釋這些問題，但是均沒有答案。在氧氣未被發(fā)現(xiàn)之前，燃素說由于能夠解釋眾多的化學問題而被學術界普遍接受。參考文獻：〔英〕斯蒂芬·F·梅森，上海外國自然科學哲學著作編譯組譯，自然科學史，上海人民出版社：154-1592023/2/213河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院二、氧氣的發(fā)現(xiàn)英國化學家普利斯特列1774年在實驗中發(fā)現(xiàn)了一種氣體可以使蠟燭的火焰強烈燃燒；次年又發(fā)現(xiàn)老鼠可以在這種氣體中存活很長的時間，并且他本人吸入這種氣體感覺很舒服。“誰知道將來這種純空氣不會變成一種時髦的奢侈品呢？”但是他終生信奉“燃素說”，所以他根本沒有意識到這是一種助燃的氣體，而是認為這種氣體缺乏燃素所以在燃燒過程中大量吸收燃素才造成劇烈燃燒的。瑞士化學家舍勒幾乎在普利斯特列之前就發(fā)現(xiàn)了氧氣，但是由于論文發(fā)表晚而喪失優(yōu)先權(quán)。他被稱為“有機化學的奠基人”，因為很多物質(zhì)都是他發(fā)現(xiàn)的，硫化氫、氯氣、氧化鋇、高錳酸鉀、亞砷酸銅等等。2023/2/214河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院三、拉瓦錫的化學革命法國人拉瓦錫是最早意識到定量測量重要性的化學家，他不惜利用金剛石來重復前人關于燃燒的實驗以證明沒有空氣金剛石是不會燃燒起來的。他重復了普里斯特列的實驗，并于1790年命名“最易于呼吸的其體為氧氣”；同年化學家查普特爾命名了“氮氣”。1783年拉瓦錫提交了“燃燒通論”的論文，表明氧化理論可以完整的解釋燃燒現(xiàn)象，而燃素說是不必要的理論。同年拉瓦錫在家里舉行了一個小型儀式宣告燃素說的終結(jié)，拉瓦錫夫人扮成女祭司的樣子焚燒了斯塔爾以及其他燃素說支持者的論文。1789年拉瓦錫完成“化學綱要”，詳細論述了推翻燃素說的各種實驗證據(jù)，系統(tǒng)建立了以氧化理論為核心的燃燒學說。燃素學說的擁護者紛紛丟盔卸甲，心悅誠服地宣稱：“要否認明擺著的事實是有困難的。拉瓦錫的確沒錯。2023/2/215河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院拉瓦錫舍勒普利斯特列2023/2/216河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院“化學綱要”具有劃時代的意義，因此拉瓦錫被稱為化學界的牛頓、近代化學之父?！盎瘜W綱要”出版那年正好是法國大革命爆發(fā)，1793年雅各賓派當政并實施恐怖統(tǒng)治，大批科學家受到迫害，拉瓦錫也沒有能夠幸免于難。1794年，法庭以“共和國不需要學者”的罪名將拉瓦錫處死。

法國數(shù)學家拉格朗日曾說:“砍下他的頭不過瞬間，而法國再長出像他這樣的腦袋恐怕100年也不夠！”2023/2/217河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

英國的漢弗萊·戴維在1807年發(fā)現(xiàn)，鈉、鉀可以與水發(fā)生化學反應，并產(chǎn)生火焰。《化學的哲學基礎》，提出氧化鹽酸不是化合物，而是一種單質(zhì)，可以像氧氣一樣助燃。因此，他認為燃燒不是非有氧氣不行。

其最偉大的貢獻是發(fā)明了瓦斯安全燈，被譽為1815年英國的兩大勝利（滑鐵盧戰(zhàn)役）2023/2/218河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院礦用瓦斯安全燈（戴維燈）瓦斯氣主要成分是甲烷，很容易在空氣中發(fā)生快速燃燒反應，造成爆炸。利用鐵絲網(wǎng)或銅絲網(wǎng)將燈罩住，這樣既不防礙瓦斯和空氣的混和氣進入燈內(nèi)燃燒，又可以利用鐵絲的冷卻效應將燃燒產(chǎn)物溫度降低到不足以點燃環(huán)境內(nèi)瓦斯氣的程度。這其中涉及的燃燒理論就是“猝熄距離”2023/2/219河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院1855年，德國本生發(fā)明了本生燈（Bunsenburner），并對火焰溫度及火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了定量測量同期，威爾考克斯（Wilcox）發(fā)明燃煤水管鍋爐。2023/2/220河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院1883年，法國馬拉德（Mallard）建立了層流火焰?zhèn)鞑サ哪Ｐ汀?876年，Otto奧拓建造了第一臺四沖程內(nèi)燃機。1900年，Chapman(切普曼)和Jouguet(喬給特)發(fā)現(xiàn)了緩燃和爆震燃燒的區(qū)別，并計算了爆震波的速度。19世紀以后工業(yè)革命推動了化學科學的發(fā)展。原子說、分子說相繼建立，熱化學、熱力學、化學熱力學、化學動力學相繼得到發(fā)展。并將燃燒學推進到一個新階段。2023/2/221河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院

20世紀30年代，燃燒動態(tài)過程理論建立，著火、火焰?zhèn)鞑ダ碚摻ⅰ＃绹{德.劉易斯、俄國謝苗諾夫－因發(fā)現(xiàn)鏈鎖反應獲得1956年諾貝爾獎－利用化學動力學理論）謝苗諾夫四、燃燒學的新發(fā)展劉易斯1905年，法國查爾斯設計了燃氣輪機，1930年被懷特用于推動飛機飛行。2023/2/222河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院20年代水煤漿燃燒技術出現(xiàn)，30年代懸浮燃燒技術出現(xiàn)。40、50年代，從擴散燃燒、動力燃燒的角度研究了液滴和碳粒的燃燒。50、60年代，美國力學家馮卡門和錢學森利用連續(xù)介質(zhì)力學研究了燃燒現(xiàn)象，發(fā)展了反應流體力學。馮卡門2023/2/223河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院70年代，計算機出現(xiàn)后，斯堡爾?。⊿palding）建立了湍流輸運模型，利用數(shù)值計算方法研究燃燒并發(fā)展了計算燃燒學。為了控制二氧化硫排放，1976年，循環(huán)流化床燃燒技術出現(xiàn)。70年代以后，激光技術、氣體分析技術（質(zhì)譜色譜技術）的發(fā)展被用于直接測量燃燒條件下的氣體流速、溫度場分布、組分濃度分布以及顆粒直徑分布等規(guī)律，促進了燃燒理論的快速發(fā)展。2023/2/224河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院近年來，如何有效控制燃燒過程中溫室氣體如CO2、SO2、NOx等，以及其他污染物如Soot(碳煙)、PM2.5等是燃燒學研究的熱點2023/2/225河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院2004年，NASA研制成功利用超燃沖壓發(fā)動機的高超音速飛行器（10倍Ma）超聲速燃燒風洞測試馬丁公司的超聲速概念飛機2023/2/226河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院燃燒學是一門正在發(fā)展中的學科。能源、航空航天、環(huán)境工程和火災防治等方面都提出了許多有待解決的重大問題，諸如高強度燃燒、低品位燃料燃燒、煤漿(油-煤，水-煤，油-水-煤等)燃燒、流化床燃燒、催化燃燒，滲流燃燒、燃燒污染物排放和控制、火災起因和防止等。燃燒學的進一步發(fā)展將與湍流理論、多相流體力學、輻射傳熱學和復雜反應的化學動力學等學科的發(fā)展相互滲透、相互促進2023/2/227河北工業(yè)大學能源與環(huán)境學院燃燒的定義燃料與氧化劑在一定條件下所進行的具有發(fā)光發(fā)熱等特點的劇烈的化學反應。是物質(zhì)間的能量轉(zhuǎn)化過程，通過燃燒過程，物質(zhì)所具有的化學能以熱能的形式輸出。燃燒過程本身是一個物理、化學的綜合過程。因為影響燃燒的因素很多：氣體運動規(guī)律、擴散速度、熱量傳遞效果、反應物濃度以及壓力等等。深入了解燃燒過程的理論以及影響因素對于實際生產(chǎn)與現(xiàn)實生活具有重要的意義。可以更好的組織燃燒